維護(hù)板對輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能影響分析

楊國棟

(山西中條山工程設(shè)計(jì)研究有限公司銅城設(shè)計(jì)院，山西垣曲 043700)

0 引言

近年來多層輕鋼框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛，它具有工業(yè)化程度高、施工周期短、重量輕、造價(jià)易控制、施工不受季節(jié)限制等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)因其取材對環(huán)境影響小，有利于社會資源的保護(hù)和材料的回收再利用，被譽(yù)為“可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)建筑體系”［1］。但是結(jié)構(gòu)中的維護(hù)板僅被作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中往往忽視其對輕鋼框架的作用，沒有考慮其參與輕鋼框架抗震的作用。實(shí)踐證明，若連接可靠，維護(hù)板能與輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系共同工作，并提高輕鋼框架結(jié)構(gòu)的整體剛度和強(qiáng)度?？紤]維護(hù)板對輕鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力的貢獻(xiàn)可以使輕鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際的受力狀態(tài)，同時(shí)也能降低造價(jià)，節(jié)約成本［2］。因此，分析和研究水平荷載作用下維護(hù)板與輕鋼框架結(jié)構(gòu)的耦合作用具有重要的理論價(jià)值，并可以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 輕鋼框架原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的輕鋼原型結(jié)構(gòu)為一輕鋼結(jié)構(gòu)住宅，共6層，層高3 m，建筑總高度18 m，基本柱網(wǎng)15 m×24 m，結(jié)構(gòu)橫向三跨，跨度分別為6 m，3 m，6 m，共15 m，縱向柱距6 m，4個(gè)柱距，共24 m。維護(hù)板布置在結(jié)構(gòu)的跨中。結(jié)構(gòu)的平面、三維立體圖如圖1所示。恒荷載gk=17 kN/m，活荷載qk=8 kN/m，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地特征周期為0.35 s。輸入的地震波分別采用Elcentro波、Taft波和蘭州波。

圖1 結(jié)構(gòu)的平面、三維立體圖

1.2 材料特性

本章基礎(chǔ)模型結(jié)構(gòu)的梁、柱均采用H型鋼，截面尺寸分別為400 mm×300 mm×10 mm×16 mm和350 mm×250 mm×9 mm×14 mm，鋼材型號為 Q235，彈性模量 E=2.06×105MPa，鋼材的各項(xiàng)材性數(shù)據(jù)見表1。樓板采用混凝土結(jié)構(gòu)，厚100 mm，標(biāo)號為C20，維護(hù)板采用輕質(zhì)混凝土板。

表1 結(jié)構(gòu)的前十階自振周期 s

2 模態(tài)分析

所謂模態(tài)分析就是通過計(jì)算結(jié)構(gòu)的振型及其對應(yīng)的自振周期來確定結(jié)構(gòu)動力特性的一種分析方法。作為結(jié)構(gòu)的一種固有特性，結(jié)構(gòu)的振型和自振周期是反映結(jié)構(gòu)動力特性的重要參數(shù)之一，它們能夠反映在動力荷載作用下結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)和速度響應(yīng)，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析的基礎(chǔ)。

本結(jié)構(gòu)模態(tài)的求解采用Ritz向量分析方法。Ritz向量法考慮了動力荷載的空間分布，可以為后面時(shí)程分析提供更精確的振型依據(jù)。采用SAP2000軟件首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，從而得到了純輕鋼框架結(jié)構(gòu)和帶維護(hù)板鋼框架結(jié)構(gòu)的前十階振型及其對應(yīng)的自振周期。

由表1可知，本例中純輕鋼框架結(jié)構(gòu)的第一自振周期為1.480 014 s，反映了純輕鋼框架結(jié)構(gòu)的整體剛度小的特點(diǎn)。帶維護(hù)板鋼框架結(jié)構(gòu)的第一自振周期為1.328 461 s，要略小于純輕鋼框架結(jié)構(gòu)，而且?guī)ЬS護(hù)板的鋼框架結(jié)構(gòu)的每一階自振周期均略小于純輕鋼框架結(jié)構(gòu)的，說明維護(hù)板的剛度對輕鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力是有利的，使得結(jié)構(gòu)的整體剛度有所增加。

3 時(shí)程分析

結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)的時(shí)程分析方法是一種動力計(jì)算方法，用地震地面加速度時(shí)程作為輸入，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的地震反應(yīng)。時(shí)程分析方法既考慮了地震動的振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間三要素，又考慮了結(jié)構(gòu)的動力特性，能比較真實(shí)的描述結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的全過程［3］。時(shí)程分析的目的是對純輕鋼框架結(jié)構(gòu)和帶維護(hù)板的鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行比較分析，比較兩種結(jié)構(gòu)的抗震性能。

本文選擇Ⅱ類場地土的地震記錄Elcentro波、Taft波和蘭州波，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的時(shí)程分析。

3.1 加速度時(shí)程分析

通過軟件計(jì)算可以得到兩種結(jié)構(gòu)分別在三種地震波作用下的頂點(diǎn)加速度時(shí)程比較曲線，如圖2所示。由圖2可知，Elcentro波作用下純輕鋼框架結(jié)構(gòu)和帶維護(hù)板鋼框架結(jié)構(gòu)頂層的最大加速度值分別為984.6 cm/s2，677.5 cm/s2;Taft波作用下純輕鋼框架結(jié)構(gòu)和帶維護(hù)板鋼框架結(jié)構(gòu)頂層的最大加速度值分別為629.7 cm/s2，402.2 cm/s2;蘭州波作用下純輕鋼框架結(jié)構(gòu)和帶維護(hù)板鋼框架結(jié)構(gòu)頂層的最大加速度值分別為887.7 cm/s2，628.8 cm/s2。由此可以看出，在三種地震波作用下，純輕鋼框架結(jié)構(gòu)的水平地震響應(yīng)加速度峰值要比帶維護(hù)板鋼框架均有所增大，這是由于維護(hù)板對結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力的貢獻(xiàn)，使得純輕鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力較小。

圖2 三種地震波作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度時(shí)程比較曲線

3.2 位移時(shí)程分析

表2給出了三種不同多遇地震地震波作用下兩類結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)層間位移的最大值，從表2可以看出，在Elcentro波作用下，純輕鋼框架結(jié)構(gòu)的第一層層間位移最大值為0.122 69 mm，第二層為0.104 17 mm，第三層為0.082 13 mm，符合輕鋼框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下層間側(cè)移沿高度方向逐漸減小的變形規(guī)律;在Taft波和蘭州波作用下，計(jì)算所得的純輕鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移最大值也符合輕鋼框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下層間側(cè)移沿高度方向逐漸減小的變形規(guī)律;在Elcentro波、Taft波和蘭州波作用下，計(jì)算所得的帶維護(hù)板鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移最大值均符合輕鋼框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下層間側(cè)移沿高度方向逐漸減小的變形規(guī)律，但層間位移的最大值比相應(yīng)的純輕鋼框架結(jié)構(gòu)要小。表3給出了三種不同多遇地震地震波作用下兩類結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)位移的最大值。從表3可以看出，在Elcentro波作用下，純輕鋼框架結(jié)構(gòu)的第一層層間位移最大值為 0.122 69 mm，第二層為0.226 86 mm，第三層為0.308 99 mm，符合輕鋼框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下剪切型的變形曲線;在Taft波和蘭州波作用下，計(jì)算所得的純輕鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移最大值也符合輕鋼框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下剪切型的變形曲線;在Elcentro波、Taft波和蘭州波作用下，計(jì)算所得的帶維護(hù)板鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移最大值均符合輕鋼框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下剪切型的變形曲線，但響應(yīng)位移的最大值比相應(yīng)的純輕鋼框架結(jié)構(gòu)要小。綜上，可以看出在多遇地震地震波作用下，帶維護(hù)板鋼框架的位移和層間位移均要小于純鋼框架結(jié)構(gòu)。這是由于維護(hù)板對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)，使得帶維護(hù)板鋼框架的抗側(cè)剛度較大。

表2 地震響應(yīng)層間位移最大值 mm

表3 地震響應(yīng)位移最大值 mm

4 結(jié)語

1)帶維護(hù)板輕鋼框架結(jié)構(gòu)的自振周期較純輕鋼框架結(jié)構(gòu)的要略小些，這是由于維護(hù)板的剛度對輕鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力是有利的，使得結(jié)構(gòu)的整體剛度有所增加。

2)與純輕鋼框架結(jié)構(gòu)相比，在三種不同地震波作用下帶維護(hù)板輕鋼框架結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)最大加速度、位移最大值和層間位移最大值均要略小些，這說明在多遇地震作用下維護(hù)板由于平面內(nèi)具有一定的剛度，能夠耗散一部分地震能量，這對輕鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能是有利的，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)予以考慮。

3)在罕遇地震作用下，維護(hù)板的剛度就可以忽略不計(jì)，但是維護(hù)板會作為抗震設(shè)防的第一道防線，首當(dāng)其沖，以自身的破壞來耗散地震中產(chǎn)生的能量，這對輕鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)也是有利的。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分合理的考慮維護(hù)板的影響，才能使輕鋼框架的抗震設(shè)計(jì)更加合理。

［1］史三元，穆金花.SPSW對鋼框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能影響分析［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，28(4):6-9.

［2］李小娟，史三元，李慧芳.填充墻對鋼框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能影響分析［J］.四川建材，2012，38(2):50-51.

［3］方鄂華，錢稼茹.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.